高壓開關(guān)柜繼保裝置電磁干擾案例分析

肖濤古，劉曉暉（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510000）

高壓開關(guān)柜繼保裝置電磁干擾案例分析

肖濤古，劉曉暉
（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510000）

通過分析高壓變電所內(nèi)一次回路斷口瞬變強(qiáng)電磁場的產(chǎn)生和傳輸途徑，結(jié)合廣州地鐵某線33 kVGIS饋線微機(jī)保護(hù)測控單元受電磁干擾非正常重啟故障案例，分析電磁干擾產(chǎn)生的原因，并逐項(xiàng)試驗(yàn)分析，最終提出了相對應(yīng)的抗干擾解決方案。

強(qiáng)電磁干擾；傳輸途徑；非正常重啟；解決方案

0　前言

近年來，微機(jī)綜合保護(hù)測控裝置因其集成測量、控制、保護(hù)、通訊一體化等特點(diǎn)，在地鐵牽引供變電系統(tǒng)中得到了廣泛使用，但在工程案例中，裝置本身電磁敏感元件受干擾致使測控裝置死機(jī)重啟的案例也時有發(fā)生。電磁干擾傳播途徑主要源于高壓變電所內(nèi)電磁空間輻射、二次線纜耦合及不可靠接地線的電磁感應(yīng)三個方面，其中任一方面較高的電磁干擾水平都會造成繼保裝置重啟、誤動或拒動等各種異常情況出現(xiàn)，這種電磁干擾甚至可以直接造成這些元器件的損壞，嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

廣州地鐵某線供電系統(tǒng)中壓33 kVGIS開關(guān)柜采用HMGS 80型產(chǎn)品，饋線柜配備通用微機(jī)保護(hù)測控單元F650。該系統(tǒng)于2013年1月試送電投產(chǎn)，試送電過程中發(fā)現(xiàn)在33 kV母線帶電狀態(tài)下，拉合或拉分隔離刀閘，造成大范圍的饋線微機(jī)保護(hù)測控單元F650受電磁干擾重啟。

1　案例初步分析

1.1電磁干擾源研究

在給定的系統(tǒng)中，電子元器件電磁干擾來源主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境兩個方面。伴隨著大量高速半導(dǎo)體器件的發(fā)展應(yīng)用，裝置本身電路（如微處理器、微控制器、傳送器、靜電放電和瞬時功率執(zhí)行元件）產(chǎn)生的諧波干擾高達(dá)300MHz，這種干擾是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件布局和生產(chǎn)工藝等所決定的，也是內(nèi)在因素；外在運(yùn)行環(huán)境方面，城市軌道交通供電系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在交直流電源的穩(wěn)定性、一次回路的強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場、直流系統(tǒng)雜散電流、接地系統(tǒng)、列車頻繁取流及開關(guān)柜操作對電場的影響等多個方面，當(dāng)然也包括電話機(jī)、對講機(jī)及機(jī)電設(shè)備使用造成的輻射干擾。

某線33 kV饋線微機(jī)保護(hù)測控單元F650在33 kV母線帶電狀態(tài)下，操作隔離開關(guān)受電磁干擾重啟，若在母線無壓時進(jìn)行操作，則不會發(fā)生。綜合比較分析受電磁干擾重啟F650運(yùn)行內(nèi)外部環(huán)境、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、交直流電源的穩(wěn)定性、一次回路電磁場、直流系統(tǒng)雜散電流、接地系統(tǒng)、列車頻繁取流及開關(guān)柜操作對電場的影響等多個方面信息，可確定的是電磁干擾源來自于母線有壓空載時對隔離開關(guān)的操作。母線空載時開關(guān)斷口間存在不等電位，斷口間的電場在動靜觸頭距離改變過程中產(chǎn)生突變，出現(xiàn)高達(dá)幾百次的重復(fù)燃弧及斷弧的過程，包含有多種高頻分量的衰減振蕩波，波形的持續(xù)時間從μs至ms不等，上升時間為ns級，典型過電壓瞬時上升至約為相電壓幅值的2倍。電弧的熄滅和重燃在母線上產(chǎn)生一系列的高頻電流和電壓波，以瞬態(tài)電磁場的形式向周圍空間輻射能量，并可通過與母線相連接的PT、CT及避雷器等一次設(shè)備直接耦合到二次控制回路[2]。無論該瞬變電磁場以何種形式耦合傳導(dǎo)，均可以對變電所內(nèi)控制設(shè)備形成強(qiáng)烈的干擾，并在一些特定頻段影響微機(jī)綜合保護(hù)測控裝置，造成死機(jī)或重啟。

研究開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場特性，完善防護(hù)措施十分必要，目前，切斷干擾途徑或降低耦合程度的傳統(tǒng)方法是屏蔽、接地、隔離及濾波。

1.2電磁干擾傳輸途徑分析

在斷口間引起的重復(fù)燃弧及息弧通過母線以瞬態(tài)電磁場的形式向周圍空間輻射能量或由母線傳輸經(jīng)電流互感器及電壓互感器直接耦合[2]，即傳輸途徑的三種可能性：

（1）空間輻射；

（2）通過二次線纜的直接耦合；

（3）不可靠接地線的感應(yīng)電位。

依據(jù)初步分析內(nèi)容，若要從根本上改變帶電操作時引起瞬態(tài)干擾電磁場，工程現(xiàn)場不具有可操作性，問題的解決方法是必須找到電磁干擾的具體傳輸途徑，在傳輸途徑中把電磁干擾降到合理的可接受的干擾量內(nèi)。根據(jù)工程實(shí)際情況，可以分別采取增加屏蔽、調(diào)整布線、改進(jìn)接線方式、改良接地等措施去找到電磁干擾產(chǎn)生的主要途徑。

1.2.1空間輻射電磁干擾排除

工程實(shí)際中微機(jī)保護(hù)測控單元F650后部接線模塊及內(nèi)部板件單元均安裝在密封的33kVGIS開關(guān)柜中，要采用增加屏蔽的方式減少電磁干擾，有效且易行的方法莫過于加裝鐵質(zhì)屏蔽罩。研究人員在考慮裝置散熱，安裝空間及是否造成其他負(fù)面影響等多種因素的前提下，對金屬屏蔽罩進(jìn)行了圖紙設(shè)計，生產(chǎn)并經(jīng)干擾試驗(yàn)屏蔽功能有效后用作現(xiàn)場測試，如圖1。現(xiàn)場安裝后的測試過程中仍出現(xiàn)了F650重啟現(xiàn)象，發(fā)生重啟的統(tǒng)計幾率較加裝前并未減少，說明HMGS80型產(chǎn)品干擾電磁場在開關(guān)柜二次室內(nèi)的空間輻射不是造成電磁干擾的主要因素。

圖1　F650金屬屏蔽罩

1.2.2二次線纜直接耦合電磁干擾排除

金屬屏蔽措施對電磁波的空間傳導(dǎo)輻射有削弱作用，然而本案例在1.2.1的措施下卻沒有明顯效果。有必要進(jìn)一步對綜合保護(hù)裝置各器件單元進(jìn)行逐個檢查，不同板卡間進(jìn)行比較。在檢查外部接線的過程中，發(fā)現(xiàn)跳閘回路監(jiān)視接點(diǎn)F15、F16在解開時（圖2），保護(hù)非正常重啟現(xiàn)象會偶爾消失。分析裝置非正常重啟是發(fā)生在隔離刀合分時，而此I/O板的F15、F16接點(diǎn)在隔離刀合分過程中會有狀態(tài)改變，干擾信號有可能通過二次線纜耦合進(jìn)入I/O板。保護(hù)裝置的CPU板與此I/O板相鄰，CPU的微處理器芯片和F15、F16接點(diǎn)緊鄰，從而進(jìn)一步判斷是否會通過二次線纜直接耦合致使CPU板的微處理器芯片受到電磁干擾，使得保護(hù)裝置非正常重啟。

圖2　饋線開關(guān)分合閘回路

將I/O板上的跳閘回路監(jiān)視接點(diǎn)F15、F16（見圖2）換至離CPU板微處理器等芯片較遠(yuǎn)的F1、F2接點(diǎn)。在33 kV母線帶電狀態(tài)下，操作隔離開關(guān)測試，多次測試及運(yùn)行觀察過程中仍出現(xiàn)了裝置重啟現(xiàn)象，通過此判斷二次線纜的直接耦合并非電磁干擾的主要原因。

1.2.3不可靠接地線的感應(yīng)電磁干擾

F650裝置原有接地線截面積為2.5mm2，與裝置采集、保護(hù)及控制回路接線同一路徑布置，在柜內(nèi)接線端子排匯同其他二次回路接地統(tǒng)一連接至柜內(nèi)接地小母排。

依據(jù)干擾電磁波有可能的傳播途徑，考慮不可靠接地線感應(yīng)電位引起裝置死機(jī)重啟的可能性。測試過程中將裝置原有接地線解除，選用截面積為4 mm2接地線，改變原有接地線敷設(shè)路徑，與二次室內(nèi)其他接線及地線分開布置，直接連接至柜內(nèi)接地小母排，在33 kV母線帶電狀態(tài)下，進(jìn)行多次隔離開關(guān)操作測試及長時間運(yùn)行觀察，非正常重啟現(xiàn)象完全消除，初步判斷不可靠接地線感應(yīng)電位的干擾電磁波是造成前期F650裝置非正常重啟的重要原因。

2　電磁抗干擾最終解決方案

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)分析，最終制定故障解決技術(shù)方案如下：

（1）取消F650裝置原有截面積為2.5mm2接地線；

（2）增加新接地線截面積要求為4mm2；

（3）改變原有接地線敷設(shè)路徑，與裝置采集、保護(hù)及控制回路接線分開布局；

（4）與二次室內(nèi)其他接線及地線分開布置，直接連接至柜內(nèi)接地小母排，圖3為處置后接地線與原有接地線布置比較示意圖。

觀察F650裝置接地改造后12個月的運(yùn)行情況，未再發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象，說明通過增大接地線截面積，改變接地線敷設(shè)路徑及接線方式方法行之有效。

圖3　接地線處置示意圖

3　結(jié)論

變電所內(nèi)高壓母線空載運(yùn)行時，開關(guān)動靜觸頭存在不等電位，在開關(guān)操作過程中，會產(chǎn)生含有多種頻率分量的衰減震蕩波。在斷口間引起的重復(fù)燃弧及息弧的瞬變電磁場，通過三種途徑傳輸：通過母線以瞬態(tài)電磁場的形式向周圍空間輻射能量；由母線傳輸經(jīng)電流互感器及電壓互感器二次線纜直接耦合；在不可靠接地線產(chǎn)生的感應(yīng)電位。當(dāng)其干擾水平超過繼保裝置邏輯原件和電路允許的干擾水平時，將會導(dǎo)致繼保裝置重啟、誤動或拒動等各種異常情況出現(xiàn)，甚至直接造成這些元器件的損壞，嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

配備F650微機(jī)保護(hù)測控單元的HMGS 80型33 kV GIS開關(guān)柜，在33 kV母線帶電狀態(tài)下，拉合或拉分隔離刀閘，不可靠接地線感應(yīng)電位的干擾電磁波是造成部分饋線微機(jī)保護(hù)測控單元F650受電磁干擾重啟的主要原因。不可靠接地線可通過增加橫截面積、合理規(guī)劃線纜布局及優(yōu)化接地連接方式等方法解決。

［1］黃山山.變電所繼電保護(hù)電磁干擾問題分析及解決方案［J］.都市快軌交通，2010（8）：4.

［2］王慶斌.電磁干擾與電磁兼容技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

(編輯：王智圣)

Analysis of EMI for 33kV GIS Relay

XIAO Tao-gu，LIU Xiao-hui
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510000，China）

In this paper，through the analysis of transient electromagnetic field generation and transmission caused by primary circuit breakpoint in the high voltage transformer substation，combined with the case which abnormal restart ofmicrocomputer relay protection unit based on 33kV GIS feeder in subway of Guangzhou Metro because of EMI，analyzing and finding out the reason of EMIoccurred，finally put forward the relativeanti-interferencessolutions.

strong EMI；transmission path；abnormal restart；solution

TM591

A

1009－9492(2015)06－0143－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.041

2015－01－26

肖濤古，男，1984年生，江西遂川人，碩士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：軌道交通供電技術(shù)管理。已發(fā)表論文5篇。